【图朴解决方案】古人热水造冰，背后有何原理

“玉来盘底碎,雪到口边销。”这是一段古人关于冰制品的描写，那么当时的冰，是从何而来？

事实上，即使冰块在古代的夏季十分珍贵，古人也有着独属于那个时代的降温方式，那便是热水造冰。

与此同时不禁令人更加疑惑，这究竟是如何实现的？热水造冰又是根据什么原理而制成？

热水制冰的原理至今仍困扰着物理学家们，始终无法得到一个确切的解释。

01古代制冰的方法

溯流追源，古代的制冰法层出不穷，最通用的是冬季贮藏冰块的方法，虽然只有少部分的皇家贵族能够使用。

古人在冬季提前将冰块放到冰窖中，底下垫着稻草、芦席，又盖上一些类似于树叶之类的来隔离与外界的接触，封存窖口，夏天就可以使用。

此外还有唐朝时发现的硝石制冰方法，这也是古代目前来说最为合理的一种制冰方法。

准备一大一小注满水的容器，在大容器中加入硝石，硝石溶于水，小容器的水便会逐渐变成冰块，硝石也是如今的碳酸钙，碳酸钙吸热，周围的温度便会降低。

《淮南万毕术》中有着可以说是为久远的热水制冰方法，这种方法足以让你大吃一惊。

取用沸水放置在容器中，将容器口紧密封上，然后将之置入水井里，仅用三日就成为冰块。

其中最让人费解的是为什么要用沸水，并且为何要放入井水中，明明想要得到的是冰块，对于物理学家而言，这种“夏造冰”的方法十分值得一探究竟。

按理说应当是将水置于极为寒冷之地才能够变成冰，然后将冰块保存这才是合乎情理的做法。

02热水制冰的原理

前两种古代造冰方法的原理不难揣测，最让人感到神奇的仍是热水造冰的方法。

水是如何成为冰的？如今的科学家会说，水是液体，液体在零度时凝固结晶从而形成晶核，晶核最终变成晶粒，宏观上也就成为了冰。

也有当代物理学家说，这是物体从液态转变为固态的过程，温度降低至零度时，根据热胀冷缩，水分子间距缩小，最终变成固态的冰。

而热水造冰有一种说法是利用热胀冷缩的原理，之所以使用沸水是因为气压，越深的井里面的水越冷，通过在井水中不断降温从而改变水的沸点，使得水的分子结构变成冰。

以上仅为一种猜测，我们都知道，水转换成冰这个条件十分苛刻，并且具有偶然性。

古代又无法控制沸点与气压，古代的井也无法挖凿得那么深入，根据记载显示，古代的井一般只有十米左右，最深也不过达到几百米的深度。

倘若通过气压来达到降压的效果，冰点也无法提升到1℃以上。

坦桑尼亚的一位学生发现，提前被加热的水有利于更加快速地结冰，这位学生叫姆潘巴，后人也将这种现象称之为“姆潘巴效应”。

这种效应是说，温度高的液体在温度低的条件下，一旦与极低温度的环境直接接触，那么降温速的度远远快于温度较低的液体，甚至于达到结冰的结果。

由于水蒸气会蒸发消失，温度低的液体质量轻于高温度的液体，在同等的质量与环境下，高温液体削减的热量更多，冷却速度自然而然也更快，因此选择沸水。

这种效应局限在于需要同等的温度与质量，并且水并不能以其他方式蒸发消失，要保证影响因素的单一性。

03逼近本源的猜想

紧接着有另外一种假设随着而来，通过沸水产生的高气压流通过缝隙另一端的低气压，冷热相撞，沸水瞬间降温成冰，这也是所谓的“焦汤效应”。

古代虽然无法营造实验室严密的环境，但古人有着生活的经验，他们用丝织品将瓶口密封，这正成为多孔缝隙，意外营造适当的实验场景。

在现代人的缜密下，多次实验最终发现，沸水降温后沸点不再很高，降温速度也随着下降，难以形成大量的冰块，这种方法的漏洞十分明显，需要极为苛求的环境。

另有一学者则更为周密，热水制冰的原理应当是流体通过多孔胀大从而引起温度变化，此过程为不可逆过程，这正是“焦耳汤姆逊效应”。

古人放置沸水的容器瓶口稍小，容肚极大，水蒸气膨胀但无法通过瓶口，只能不断挤满容器中的气压，容器外又有着低温，容器内外的温度逐渐趋于冰的温度。

人们同样进行多次模仿，这个实验虽不需要极度严谨的环境，但实验者发现，这需要容器的体积很大，并且井水达到接近零度，这也已经是较为简单且更易实现的猜想。

科学永无止境，对于古人热水制冰的原理至今物理学家们仍是没有停下探究的步伐。

更有学者通过水与冰的晶体结构去解说，温度降低时水分子的氢键断裂，最终形成冰的形状。

而沸水加剧氢键的断开速度，使得氢键的粘合性较弱，因此沸水比起温水或凉水更快结冰。

实验结果表明，要控制不同冰格的结冰速度一致是困难的，温度越低，差异就更加巨大，所以即使这个假设更加从冰的本质去解释，但意味着变量也更多且实现条件更加困难。

他们众说纷纭，即使至今没有统一的见解，但科学的魅力正在于探究的多样性，终有一天，热水制冰的根源能够被剖析出来。